一种模拟散煤燃烧大气环境影响的风洞实验装置和方法与流程

本发明涉及一种模拟散煤燃烧大气环境影响的风洞实验装置和方法，尤其涉及一种小煤炉散煤燃烧大气环境影响的风洞实验模拟方法。

背景技术：

近年来，我国区域性复合型大气污染严重，各高校和科研院所也纷纷开展大气污染控制技术研发和污染溯源追踪，以期在提高污染控制技术能力、减少大气污染物排放的同时，能够探索污染机理和较准确的获取目前影响环境空气质量的主要污染源。

根据目前相关研究结果，除了工业源和机动车排放源外，农村小煤炉散煤燃烧大气污染物排放是引起我国区域性复合型大气污染的一个重要来源，特别是冬季在我国北方农村地区，由于居民生活水平的提高，居民自建小煤炉供热土暖气越来越多，大气污染物排放量越来越大。

目前对小煤炉散煤燃烧环境空气污染的研究手段主要是直接现场观测和数值模拟。现场观测操作方便，但观测数据受区域大气环境影响较大，无法区分观测数据是由小煤炉贡献还是由区域输送或者本地其他污染源贡献，观测结果参考性较差，且无法重复获得观测结果。数值模拟可进行控制实验，但由于为了获得数值解，模型中基本方程进行了一定程度简化，其模拟结果误差较大，仅可供参考。目前尚无一种较理想方法可以测试或模拟小煤炉燃烧散煤排放的大气污染物对环境空气质量的影响，包括影响程度和影响过程。。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种不受到外界风速或边界层高度变化影响的实验装置和方法。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种模拟散煤燃烧大气环境影响的风洞实验装置，包括回流风洞、小煤炉、仪器室和在线观测仪器，所述风洞包括进气段、动力段、第一试验段、第二试验段和出气段，所述进气段设有进气门，所述出气段设有排气门，所述动力段内设有电机和风机，所述小煤炉设置于第一试验段内，所述仪器室位于回流风洞第二试验段的下方，所述在线观测仪器位于仪器室内，所述在线观测仪器通过管道与采样头连接，所述采样头位于入第二试验段内。

对上述技术方案的进一步设计为：所述实验装置还包括臭氧发生器和氨气输送装置，所述臭氧发生器和氨气输送装置为位于回流风洞外侧，且分别通过管道与第一试验段连接。

所述第一试验段内还设有气流搅动风扇。

所述在线观测仪器包括氮氧化物在线观测仪器、二氧化硫在线观测仪器、臭氧在线观测仪器、氨在线观测仪器、pm2.5在线观测仪器和气溶胶飞行质谱仪。

所述采样头包括第一采样头、第二采样头和大气采样总管，所述大气采样总管与氮氧化物在线观测仪器、二氧化硫在线观测仪器、臭氧在线观测仪器和氨在线观测仪器连接，所述第一采样头与气溶胶飞行质谱仪连接，第二采样头与pm2.5在线观测仪器连接。

所述第一采样头、第二采样头和大气采样总管设置于第二试验段的同一高度上。

所述气溶胶飞行质谱仪通过特氟龙进气管与第一采样头连接，所述气溶胶飞行气溶胶质谱仪入口与特氟龙进气管之间还设有硅胶干燥管；所述第一采样头进气口处设有第一旋风切割器。

所述pm2.5在线观测仪前端通过特氟龙进气管与第二采样头连接，后端设有第一外置采样泵，所述第二采样头进气口处设有第二旋风切割器。

所述氮氧化物在线观测仪器、二氧化硫在线观测仪器、臭氧在线观测仪器和氨在线观测仪器前端均通过特氟龙进气管与大气采样总管连接，后端连接有第二外置采样泵。

一种模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞实验方法，该方法采用上述实验装置，包括如下步骤：

打开回流风洞的进气门、排气门、电机和风机，从入口段将空气引入风洞内，等待空气更换完毕后，点燃小煤炉中的煤炭后，关闭回流风洞的进气门和出气门，使风洞内形成封闭空间，打开风机，风速控制在1-2米/秒微风；

打开氮氧化物在线观测仪器、二氧化硫在线观测仪器、臭氧在线观测仪器、氨在线观测仪器、pm2.5在线观测仪和气溶胶飞行质谱仪，记录氮氧化物、二氧化硫、臭氧、氨和细粒子浓度初始值，并监测各污染物随时间的变化，并根据臭氧和氨的变化情况通过臭氧发生器和氨气输送装置补充臭氧和氨气，根据煤炭燃烧情况增加煤炭；

24小时后，开启进气门和排气门，同时提高风机的风速，更换试验段内空气；直到试验段内恢复到实验初始值并稳定为止。

本发明与现有技术相比具有的有益效果为：

本发明提供了一种直接而有效的装置和方法来模拟散煤燃烧对区域大气环境的影响，采用双试验段闭路开路两用回流式边界层风洞可保证实验不受到外界风速或边界层高度变化的影响，可真实的反映我国北方农村地区小煤炉散煤燃烧排放的大气污染物对当地环境空气质量的影响，为相关科研人员以及研究部门提供可靠的数据支持。

附图说明

图1为发明实施例中风洞结构示意图；

图2为发明实施例中第一试验段和补充气体结构示意图；

图3为发明实施例中第二试验段和仪器室结构示意图。

图中：1、双试验段闭路开路两用回流式边界层风洞，2、进气门，3、电机，4、风机，5、第一试验段，6、第二试验段，7、排气门，8、小煤炉，9、臭氧气体输送口，10、臭氧发生器，11、氨气输送口，12、氨气输送装置，13、气流搅动风扇，14、观测仪器室，15、采样总管采样头，16、氮氧化物观测仪，17、二氧化硫观测仪，18、氨气观测仪，19、臭氧观测仪，20、第二外置采样泵，21、计算机，22、第一采样头，23、pm2.5在线观测仪，24、第一外置采样泵，25、第二采样头，26、气溶胶飞行时间质谱仪，27、硅胶干燥管，28、气象观测仪，29、大气采样总管。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1和图2所示，本实施例的模拟散煤燃烧大气环境影响的风洞实验装置包括回流风洞1、仪器室14、pm2.5在线观测仪23、气溶胶飞行质谱仪26、小煤炉8、氮氧化物在线观测仪16、二氧化硫在线观测仪17、氨在线观测仪18、臭氧在线观测仪19、臭氧发生器10、氨气输送装置12和气象观测仪28，本实施例中回流风洞采用双试验段闭路开路两用回流式边界层风洞。

回流风洞1包括进气段，动力段，第一试验段5、第二试验段6和排气段，进气段设有进气门2，排气段设有排气门7，动力段设有电机3和风机4，进气段和出气段均与第一试验段5和第二试验段6连通。小煤炉设置在第一试验段5中央位置，第一试验段内还设有气流搅动风扇13，用于对风洞内气流进行搅动。pm2.5在线观测仪23、气溶胶飞行质谱仪26和氮氧化物在线观测仪16、二氧化硫在线观测仪17、氨在线观测仪18、臭氧在线观测仪19均设置在观测仪器室14内；观测仪器室设置于第二试验段6外部且位于试验段6中心处的垂直下方，观测仪器室14内配置有冷暖两用空调，以保证各类观测仪器在适度温度下运行。臭氧发生器10设置于第一试验段5外部，通过气体输送管道与第一试验段5联通；氨气输送装置12设置于第一试验段5外部，通过气体输送管道与第一试验段5联通。气象观测仪28设置于第二试验段6内，用于辅助记录温湿度、风速、气压等气象因子，同时大气采样总管29、第一采样头22和第二采样头24均设置于第二试验段内；大气采样总管29、第一采样头22和第二采样头24设置于同一高度上。

pm2.5在线观测仪23、气溶胶飞行时间质谱仪26和各污染气体观测仪分成三路单独对空气中的颗粒物和气体进行采样；pm2.5在线观测仪23前端通过特氟龙进气管与第一采样头22连接，后端设有第一外置采样泵24，所述第一采样头22进气口处设有vscc旋风切割器；气溶胶飞行时间质谱仪26通过特氟龙进气管与第二采样头25连接，所述气溶胶飞行时间质谱仪26入口与特氟龙进气管之间还设有硅胶干燥管27，用于保障采样样品均为颗粒物和气体干燥；所述第二采样头进气口处设有2000-30ehb旋风切割器。两旋风切割器用于保障采集样品是细粒子（动力学直径≤2.5µm）。污染气体观测仪设有若干个，包括氮氧化物在线观测仪16、二氧化硫在线观测仪17、氨在线观测仪18和臭氧在线观测仪19，各观测仪的进气管道通过特氟龙管汇总后与大气采样总管29连接，每个气体观测仪后排气管道合并通过第二外置采样泵20外排废气。

本实施例在观测仪器室14内还设有计算机21，pm2.5在线观测仪23、氮氧化物在线观测仪16、二氧化硫在线观测仪17、氨在线观测仪18、臭氧在线观测仪19、气溶胶飞行质谱仪26采集的数据通过数据线连接至计算机21。

本实施例中pm2.5在线观测仪23采用美国tsi公司的8532型，采样排气泵是美国gast公司0523-101q-g588dx型；气溶胶飞行质谱仪26采用美国aerodyne公司的sp-ams型。

使用本实施例的装置模拟散煤燃烧大气环境影响的风洞实验包括如下步骤：

步骤一、打开双试验段回流式边界层风洞1的进气门2、排气门7和动力段电机3、风机4，从入口段将空气引入风洞1内，等待空气更换完毕后，点燃第一试验段5内的小煤炉8，小煤炉8正常燃烧后，关闭排气门7和进气门2，使风洞1成为一个相对封闭的空间，并调整风机风速在1m/s-2m/s，气流在风洞内单向缓慢流动。

步骤二、打开pm2.5在线观测仪23、气溶胶飞行质谱仪26、氮氧化物在线观测仪16、二氧化硫在线观测仪17、氨在线观测仪18、臭氧在线观测仪19，记录细粒子浓度和各气体污染物的初始值，并观测空气中各污染物浓度的变化，通过比较观测到的臭氧与氨的浓度值与文献查阅的华北地区一天中不同时刻相应浓度值，利用臭氧发生器和氨气输送装置进行调节。

步骤三、等待时间变化，过程中根据煤炭燃烧情况向小煤炉8中添加新的煤炭，24小时后移出小煤炉8，打开进气门2、排气门7，更换风洞1内空气，此时各污染物浓度会不断下降。

步骤四、待到各污染物浓度恢复到实验初始值并稳定时，重新移入小煤炉8，根据新的实验方案重复进行下一次模拟实验。

本发明使用双试验段闭路开路两用回流式边界层风洞来模拟散煤燃烧大气环境影响，由于本次使用的双试验段闭路开路两用回流式边界层风洞体积较大，可以较好反映出真实大气污染物物理扩散与化学变化情况，比环境现场实测更容易控制实验过程，受环境区域输送和其他污染源排放影响小，大气污染物变化过程更容易捕捉到，同时比数值模拟结果更准确、更可靠。

各气体在线观测仪器和颗粒物观测仪器获取的实时数据可有效分析小煤炉散煤燃烧排放的大气污染物在环境空气中的物理化学变化和积聚过程以及对于二次粒子生成的贡献，从而分析出其对灰霾生成的影响。

本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。